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  • 关于mems传感器的不同种类及其特性解析,你了解吗?

    在科学技术高度发达的今天,各种各样的高科技出现在我们的生活中,为我们的生活带来便利,那么你知道这些高科技可能会含有的mems传感器吗? mems传感器研究现状 1、微机械压力传感器 微机械压力传感器是最早研制的微机械产品,也是微机械技术中最成熟、最早实现工业化的产品。从信号检测方式来看,微机械压力传感器分为压阻型和电容型,分别基于体微加工技术和牺牲层技术制造。从敏感膜的结构来看,有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器精度可达0.05%~0.01%,年稳定性可达0.1%/FS,温度误差0.0002%,耐压可达数百MPa,过压保护范围可达20倍 的传感器范围。并且可以在很宽的范围内进行全温度补偿。 2、微加速度传感器 硅微加速度传感器是继微压力传感器之后第二个进入市场的微机械传感器。主要类型是压阻式、电容式、力平衡式和谐振式。最吸引人的是力平衡加速度计。其典型产品是Kuehnel等人报道的AGXL50型。1994年我国在微加速度传感器的研制方面也做了大量工作,如西安电子科技大学研制的压阻式微加速度传感器、清华大学微电子研制的谐振式微加速度传感器等。后者采用电阻热激励和压阻电桥检测。它的敏感结构是一个高度对称的4角支撑质量。在质量块的四个侧面和支撑框架之间制作了四个共振梁,用于信号检测。 3、微机械陀螺 角速度一般用陀螺仪测量。传统陀螺仪是利用高速旋转物体的特性来保持其角动量来测量角速度的。这种陀螺仪精度高,但结构复杂,使用寿命短,成本高。一般只用于导航,在一般运动控制系统中难以应用。事实上,如果不受成本的限制,角速度传感器在汽车牵引控制系统、摄像头稳定系统、医疗仪器、军用仪器、运动机械、计算机惯性鼠标、军事等领域有着广阔的应用前景。常见的微机械角速度传感器有双万向节结构、悬臂梁结构、音叉结构、振环结构等。 4、微流量传感器 微流量传感器不仅体积小,可以达到很低的测量水平,而且死区容量小,响应时间短,适用于微流体的精密测量和控制。目前,国内外研究的微流量传感器按其工作原理可分为热式(包括热传导式和热飞行时间式)、机械式和共振式。清华大学精密仪器系设计的阀板微流量传感器通过阀板将流量转化为梁表面的弯曲应力,再通过集成在阀板上的压敏电桥检测流量信号.该传感器芯片尺寸为3.5mm×3.5mm,在10ml~200ml/min的气体流量下线性度优于5%。 5、微气体传感器 根据材料的不同,微型气体传感器分为硅基气体传感器和硅微型气体传感器。其中,前者以硅为基板,敏感层为非硅材料,是目前微型气体传感器的主流。微型气体传感器可以满足人们对气体传感器集成化、智能化、多功能化的要求。例如,许多气体传感器的灵敏度与工作温度密切相关,因此必须同时制作加热元件和温度检测元件来监测和控制温度。MEMS技术可以轻松地将气体传感器和温度检测元件组合在一起,确保气体传感器的卓越性能。谐振式气体传感器不需要加热器件,输出信号为频率量,是硅微气体传感器发展的重要方向之一。 6、微机械温度传感器 与传统传感器相比,微机械传感器具有体积小、重量轻的特点,其固有热容量仅为10J/K~10J/K,在测温方面具有传统温度传感器不可比拟的优势。研制了硅/二氧化硅双层微悬臂温度传感器。基于硅和二氧化硅的热膨胀系数不同,梁在不同温度下的挠度是不同的,其变形可以通过位于梁根部的压敏电桥来检测。 非线性误差为0.9%,滞后误差为0.45%,重复性误差为1.63%,准确度为1.9%。 以上就是mems传感器的一些值得大家学习的详细资料解析,希望在大家刚接触的过程中,能够给大家一定的帮助,如果有问题,也可以和小编一起探讨。

    时间:2021-07-20 关键词: 微机械压力传感器 微加速度传感器 微机械陀螺

  • 基于微加速度传感器的无线鼠标的设计

     引 言 微机械加速度传感器是一种典型的微机电系统(microelectromechanical system,MEMS),在航空、航天、汽车等领域已得到了越来越广泛的应用,但基于MEMS微加速度传感器技术的无线输入设备的研究和应用还不是很多,微加速度传感器用于输入设备的潜在优势还没有得到很好的应用。 鼠标是最常用的电脑输入设备,随着PDA、笔记本、可穿戴式电脑等便携设备的流行,传统的鼠标已经满足不了移动办公的需要。现有的滚轮式或光电式鼠标都需要一个平坦的工作表面,且自身的体积也比较大。而基于微加速度传感器的无线鼠标则完全没有这个限制,它可以自由自在的在空中移动来控制电脑;可以做得很小,便于携带,可以灵活地应用于各种场合,例如:可以做成供残疾人使用的头戴式鼠标,供讲演者使用的移动式鼠标等。 国外和港台地区有一些单位正在开展这方面的研究,例如:香港中文大学Lam等人提出了一种基于微加速度传感器的虚拟键盘鼠标系统(MIDS),能同时具备鼠标和键盘的功能;Prince在他的专利中提出了一种输入设备的方案,用连在手指上的压力传感器来感测手指的动作,从而控制电脑输入;英国伯明翰大学Humphreys等人研制了一种三维鼠标,利用回转仪可以控制电脑屏幕上三维立体的旋转。本文采用美国AD公司成熟的微加速度传感器ADXL203,并集成Nordic半导体公司最新的射频收发器nRF2401和Atmel公司的ATmega16L微控制器,开发新一代基于微加速度传感器技术的MEMS无线鼠标,探索微加速度传感器在输入设备上的应用技术,并为进一步研究多维多功能的MEMS无线输入设备打下基础。 系统原理与设计 检测原理 目前,常见的鼠标有2种,滚轮式和光电式。滚轮式鼠标是靠滚轮的传动带动X和Y轴上的译码轮转动,来感测鼠标位移的变化;光电式鼠标是用一个自带光源的光电传感器,跟随鼠标的移动连续记录它途经表面的“快照”,这些快照(即帧)有一定的频率、尺寸和分辨力,而光电鼠标的核心——DSP通过对比这些快照之间的差异从而识别移动的方向和位移量,并将这些位移的信息加以编码后实时地传给电脑主机。 而基于MEMS技术的无线鼠标是用微加速度传感器实时测量鼠标运动的加速度,经过两次积分转换为位移信号传输给主机,来控制光标的移动,从而实现鼠标的功能。 硬件设计 如图1所示,整个无线鼠标系统分为2个子系统,远端子系统和主机端子系统。     图1 无线鼠标系统结构框图 远端子系统由微加速度传感器、微控制器和nRF2401射频收发器组成。微加速度传感器采用美国AD公司生产的ADXL203微传感器,微控制器采用Atmel公司生产的ATmega 16L微控制器,该微控制器附带有8路10位可编程的A/D转换电路,可以实时地将ADXL203加速度传感器输出的加速度模拟信号转换成加速度数字信号。 ADXL203加速度传感器在加速度为0时输出电压为2.5V,为提高A/D转换的精度,本文利用ATmega 16L内置的差分放大功能,用差分信号将这2.5V电压给滤掉,并将差分后的电压信号放大到与A/D转换的参考电压相匹配。系统供电采用电器中常见的9V电池,连接一个LM78M05稳压贴片得到恒定的5V电压,供各个模块使用。 主机端子系统由nRF2401射频收发器,串行传输接口芯片和另一个ATmega 16L微控制器组成,其中,RS232串行通信接口芯片采用的是Maxim2IC公司的MAX233芯片,作用是将微控制器输出的5V TTL/CMOS电平转换为EIA/TIA-232-E电平,以便与电脑主机进行串行(RS232)通信。 软件与算法设计 鼠标在人的操纵下移动,微加速度传感器便会实时地输出鼠标运动的加速度大小和方向,ADXL203传感器的量程为±1.7gn ,电压灵敏度为1000mV/gn,这个电压信号经过差分放大5.0/1.7倍后,通过微控制器A/D转换功能变成与加速度大小对应的数字信号,加速度经过两次积分,便变成了鼠标移动的位移信号,然后,再经过编码,并通过nRF2401射频收发器将位移信号发射出去。 当加速度传感器输出电压为a时,经A/D转换得到的数字量大小为     式中[ ]表示取整数;a为加速度传感器输出的电压大小,V。ATmega 16L单片机最大采样速率可以达到15000次/秒,本文采用1000次/秒;即每1ms采样一次,每25ms便向电脑报告一次相对的位移改变量,以保证屏幕上鼠标指针运动的精确和平滑,则每一次报告的位移改变量包含25次对加速度采样的数据。可以采用近似算法来对加速度信号进行二次积分,得到位移信号。 编码的目的是将X和Y方向的位移改变量,连同鼠标按键的实时信息,按照标准的Microsoft鼠标协议要求的格式进行编码,以便最后发送到主机的信息能够被电脑正确识别,从而使电脑能正确处理发送给它的位移信号,来正确控制鼠标光标的移动等动作。表1表示的即是标准的鼠标协议规定的三字节数据包格式,第1个字节记录的是左右按键的信息和鼠标X,Y位移的最高2个字位的数据,按键按下时,对应的位置1,否则,置0;第2和第3个字节分别记录X和Y方向位移的低6位数据。位移值的范围取-127~+127,再大的位移改变量会自动溢出。 表1 Microsoft标准鼠标协议数据包格式     系统的基本组件 MEMS微加速度传感器 本文采用美国AD公司生产的电容式微加速度传感器ADXL203,如图2所示,该加速度传感器是利用各向异性刻蚀、阳极键合等硅整体加工工艺在硅材料上制造出来的,并在同一个基片上集成一些外围电路,对输出的加速度信号进行放大调制等处理后,可以同时在X 轴和Y轴2个方向输出精确的加速度信号。     图2 ADXL203加速度传感器原理图 ATmega16L微控制器 ATmega16是Atmel公司生产的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器,本文选用ATmega 16L微控制器,可以满足系统要求,且存在比较大的扩展性。 无线收发器件 本文采用Nordic半导体公司的nRF2401射频收发器来实现位移数据的无线传输。因为nRF2401的优异性能非常适合无线鼠标的设计,并且,其内置的多点通信控制可以为系统提供很大的扩展空间。nRF2401为2.4 GHz全球开放频段产品,采用0.18μm工艺设计。 系统和算法的Matlab模拟 AD公司给出了ADXL203微加速度传感器的Simulink模型(参见AD公司主页),本文以此为基础,构建了基于该微加速度传感器的无线鼠标系统模型,如图3所示。     图3 无线MEMS鼠标系统的Simulink模型 其中,方框内的子系统模型即是封装好的ADXL203微加速度传感器模型。模型最后将采样的加速度值存入文件中,然后,通过编程来模拟微控制器中运行的不同积分算法,用Matlab来图示各个算法的模拟结果,对于系统算法的比较和选择有很大帮助。 上文通过假设每一次加速度采样间隔内鼠标做匀加速度运动,提出了一种二次积分的近似算法,便于编程实现,可以利用鼠标系统的Simulink模型,结合编程模拟该算法,来考察它的精确性。 程序取采样周期为1ms,发送周期为25ms,最后,Matlab模拟的结果如图4和图5所示。 由图4和图5中可以看出:由于该二次近似积分算法作了很大的简化,再加上加速度传感器的噪声干扰和信号延迟、A/D转换的误差等多方面的因素,当鼠标位移较大时,存在一些误差。但当鼠标位移在12cm以内时,精确度是非常理想的,这足以满足鼠标的一般应用,更大的移动距离可以通过改变二次积分的算法来实现。 光电和滚轮式鼠标的分辨力通常用dots per inch (DPI)来表示,即每英寸(2.54cm)的点数,它表示鼠标在物理表面上每移动1英寸(约2.54cm),光学传感器所接收到的坐标点数。由于光学引擎中CMOS矩阵的像素密度和透镜的放大倍数限制,常见光电鼠标的分辨力一般在200~400DPI。对于MEMS鼠标,可以用鼠标每移动1英寸(2.54 cm)对加速度采样的次数来表示分辨力的大小。 MEMS鼠标中微控制器对加速度的最大采样速率可以达到15000次/秒,本文只需采用1000次/秒时,取鼠标1s移动的位移为10cm,则鼠标的分辨力便达到了1000×2.54/10=254DPI,已经达到了常见鼠标的分辨力,并且,更高的分辨力可以通过提高加速度的采样速率来实现,理论上,最大值可以达到15000/1000×254=3810DPI,远远高于一般光学鼠标的分辨力。     图4 X轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图     图5 Y轴的鼠标实际位移与模拟位移对照图 结束语 本文详细讨论了基于微加速度传感器的MEMS无线鼠标的软件、硬件设计和系统构成,并给出了Matlab环境下系统的simulink模型和算法,模拟的结果证明:无线鼠标的设计是合理可行的,文中提出的二次积分近似算法是简捷有效的;文中讨论的二维鼠标的设计技术,能为进一步研究多维多功能的MEMS输入设备打下很好的基础。本文选择硬件时,充分考虑了系统向多维和多功能扩展的可能性,可以在此二维鼠标的基础上再添加一些器件,构成功能更多更完善的MEMS输入设备,例如:可以再添加一个微加速度传感器来感测Z轴的加速度,从而实现三维鼠标,可以实现对三维立体旋转等的控制;也可以利用nRF2401射频收发器内置的多点通信控制的特性,再多增加几个接收模块,可以同时控制多台主机,或多增加几个发射模块,用几个输入设备来控制同一台主机,以适应不同应用场合的需要。

    时间:2015-05-06 关键词: 无线鼠标 微加速度传感器

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